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Wellington Rangel dos Santos1, Felipe Brandão de Paiva Carvalho2,
Larissa Andreani3, Leonardo Fonseca Valadares4
Resumo
O setor sucroalcooleiro energético fornece importantes produtos como o açúcar, o álcool combustível e a bioeletricidade. A bioeletricidade é a energia elétrica gerada a partir da queima do bagaço de cana -de -açúcar. Assim, o bagaço é uma importante biomassa para uso industrial responsável por mover as usinas e ser comercializada como eletricidade. Apesar do bagaço de cana ter um papel muito importante na matriz energética nacional, normalmente essa biomassa é conduzida às caldeiras com alto teor de umidade, acarretando em perda de eficiência no processo de cogeração. Este trabalho propõe o uso de concentrador solar para a secagem do bagaço de cana -de--açúcar, a fim de aumentar a eficiência de cogeração. Para tanto, um concentrador solar de 1 m2 foi utilizado para aquecer um forno ventilado. A massa, a temperatura interna,
a temperatura externa e a potência solar foram medidas. Os resultados mostram que o teor de umidade do bagaço industrial é de 42,72%. Os melhores resultados mostraram que é possível remover 82% da umidade inicial de 100 g de bagaço de cana -de -açúcar após 45 minutos de exposição ao sol.
Palavras -chave: bagaço de cana -de -açúcar, concentrador solar, energia heliotérmica,
cogeração de energia, secagem.
Introdução
A matriz energética nacional tem elevada contribuição de fontes de energia renováveis. Em 2017, dentre as fontes de energia renováveis, os produtos de cana -de--açúcar tiveram a maior contribuição, de 17,0%, seguido da energia hidráulica (12,0%), lenha e carvão vegetal (8,0%), lixívia (3,0%), biodiesel (1,1%) e outras fontes (1,8%), totalizando 42,9% da repartição da oferta interna de energia (Bem, 2018).
Como exposto, o setor sucroalcooleiro energético tem grande importância para a geração de energia no Brasil, pois, além do açúcar alimentar, este setor produz o álcool anidro e álcool hidratado, tão como a bioeletricidade, que é gerada a partir da queima do bagaço de cana -de -açúcar nas usinas.
Assim, o bagaço de cana é uma importante biomassa de uso industrial. No entanto, o bagaço possui elevado teor de umidade quando gerado e conduzido às caldeiras – em média a composição do bagaço é 50% de água, 48% fibras e 2% sólidos solúveis (Lobo, 2013) –, o que ocasiona uma perda de eficiência das caldeiras. Da mesma forma, a 1 Cientista da Computação, mestre em Educação Física, analista da Embrapa Agroenergia, wellington.santos@embrapa.br
2 Engenheiro Bioquímico, mestre em Tecnologias Química e Biológica, analista da Embrapa Agroenergia, felipe.carvalho@embrapa.br 3 Química, doutora em Físico -Química, analista da Embrapa Agroenergia, larissa.andreani@embrapa.br
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Pr ofissionais Pr ofissionais Pr ofissionaisumidade traz problemas para a armazenagem do bagaço, pois o material pode sofrer ataques microbiológicos e apodrecimento devido à presença de água.
Uma possibilidade de aumentar a e eficiência de cogeração de energia do bagaço de cana -de -açúcar é secar este material. Entretanto, é importante ressaltar que processos industriais de secagem apresentam elevado consumo energético pois para tanto é necessário calor e fluxo de gás seco.
Uma alternativa para a secagem de biomassa, sem consumo intensivo de energia é a utilização da energia solar radiante para aquecer e secar o bagaço.
Raios solares podem ser concentrados pelo uso de espelhos a fim de gerar calor. Os raios são concentrados em um receptor, que aquece e utiliza a energia térmica para diversos fins como: aquecimento de água, purificação de água por destilação, geração de energia elétrica, condução de reações químicas, etc.
O concentrador solar é uma tecnologia bastante desenvolvida, entretanto, o Brasil não utiliza amplamente esta forma de energia apesar do seu grande potencial (Pereira, 2017). A irradiação solar no Brasil permite o aproveitamento da energia heliotérmica em todo o território, a não ser em eventos como o inverno no Sul, sendo que as regiões mais próximas do equador podem aproveitar melhor esta forma de energia.
Existem diversos exemplos de estudos internacionais que propõem a aplicação da energia heliotérmica para geração direta de energia elétrica nas torres solares (solar
power towers), tão como propostas para aumento de eficiência de usinas termoelétricas
(Keck et al., 2017). Exemplos interessantes de tratamentos e/ou transformações da biomassa foram encontrados na literatura para a gaseificação de biomassa (Müller et al., 2017) e reforma de biogás (Agrafiotis et al., 2014). Entretanto, não foi encontrado na literatura o emprego de concentradores solares para densificação energética da biomassa, como no processo de secagem, torrefação e carvoejamento do bagaço de cana -de -açúcar.
Deste modo, este artigo tem como objetivo a utilização de concentradores solares para a secagem do bagaço de cana -de -açúcar, gerando uma biomassa agroindustrial beneficiada. Para tanto foi utilizando um concentrador solar de 1 m2, acoplado a um
forno de secagem com fluxo de gás. A massa, a temperatura interna, a temperatura externa e a irradiação solar foram monitoradas ao longo tempo.
Material e Métodos
O bagaço de cana -de -açúcar (Saccharum officinarum L.) foi gentilmente doado pela Empresa AlBioma (Usina Jalles Machado) (Goianésia, GO) para a realização da pesquisa. Amostras de bagaço foram pesadas, colocadas em bandejas metálicas e colocadas em estufa com circulação forçada de ar a 105 °C. Após 24 horas a massa das amostras foram novamente medidas para determinar o seu teor de umidade.
Para o estudo de densificação energética do bagaço de cana -de -açúcar, foi utilizado um concentrador solar construído com 25 espelhos planos de 200 x 200 x 4 mm. A Figura 1 mostra fotografias do concentrador solar construído com materiais baratos e acessíveis comercialmente como: espelhos, compensado marítimo, barras de aço de perfil quadrado, perfil “L” e perfil chato, rodas com travas, parafusos com porcas, chapa de aço fina, cola para espelhos, chapa de aço fina, lona de plástico e tinta para acabamento.
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Figura 1. Fotografias mostrando (a) o concentrador solar e (b) o forno de secagem. O concentrador possui as seguintes partes (1) base móvel, (2) painel móvel com 25 espelhos de 20 x 20 cm e (3) suporte para o forno. O forno possui: (4) uma tampa metálica, (5) três entradas de gás e (6) saídas de gás.
A construção do concentrador solar não é o foco principal deste trabalho, ainda assim ressalta -se que esta construção deve ser deve ser realizada por profissional serralheiro e soldador e consultando documentos apropriados. Os operadores do concentrador solar devem passar protetor solar e usar óculos escuros.
Para a determinação de eficiência do concentrador foi usado um receptor de alumínio com massa de 597 g contendo 1820 g de água destilada, resultando em um corpo de capacidade térmica (C) de 8175 J/°C, considerando o calor específico (c) do alumínio de 0,92 J /g.°C e c da água de 4,19 J/g.°C
A Figura 1b mostra o forno de secagem. O forno foi construído a partir de panela de alumínio recoberta com teflon, que teve o seu fundo perfurado, para possibilitar a vazão do gás. Uma tela foi alocada no fundo do recipiente para evitar perda do bagaço e em parafuso metálico foi usado para fechar o forno. Para a entrada de gás, três tubulações foram colocadas na parte do forno que fica exposta à reflexão do sol. Um fluxo de ar comprimido foi obtido a partir de 0,5 bar de pressão antes das tubulações, com fluxo dentro do reator estimado em cerca de 100 L/min.
A irradiação solar foi medida com o piranômetro InstruFiber, modelo MES -200, com dados registrados a cada segundo. Para tanto o sensor de irradiação foi acoplado ao concentrador solar de forma a ficar apontado diretamente para o sol.
A temperatura externa foi monitorada com termômetro infravermelho, medindo a temperatura na lateral do forno e no receptor.
Resultados e Discussão
O bagaço de cana -de -açúcar utilizado neste trabalho apresentou teor de umidade médio de 42,47% com desvio padrão de 0,23%.
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A Figura 2 apresenta o gráfico utilizado para a determinação de eficiência do concentrador.
Figura 2. Gráfico utilizado para a determinação de eficiência do sistema. Os quadrados pretos representam a temperatura de 1830 g de água em recipiente de alumínio de 597 g, registrada ao longo do tempo de exposição ao sol, em concentrador solar de 1 m2. A irradiação solar é mostrada em vermelho.
A Figura 2 mostra a evolução da temperatura ao longo do tempo de exposição do reator ao sol utilizando o concentrador de 1 m2. A temperatura sobe e atinge um
platô de temperatura máxima de 59 °C a partir de 39 minutos de exposição. Quando a temperatura chega 59 °C o sistema entra em equilíbrio, onde a energia fornecida ao sistema é a mesma energia perdida para o ambiente. A irradiação solar variou pouco, entre 800 a 1000 W/m2, com o clima ensolarado. A irradiação solar decresceu ao longo
do tempo, como é esperado para este horário.
A região entre 30 e 33 minutos foi escolhida por apresentar alto aquecimento, de 1,3 °C /min e irradiação solar média de 929 W/m2. No caso ideal, com 100% de eficiência,
a potência de 929 W (55740 J/min) aqueceria um corpo de 8200 J/°C a 6,8 °C /min. Assim, neste experimento o sistema apresentou máxima de eficiência de 19%.
Considerando todo o tempo para chegar ao platô, partindo de 30 °C e chegando a 59 °C após 39 minutos, tem -se a taxa de aquecimento de 0,74 °C/min. Obtendo -se eficiência de 10,7%, com irradiação média de 943 W/m2.
A Figura 3 mostra gráficos representando a perda de umidade do bagaço de cana -de--açúcar, a irradiação solar, em conjunto com temperatura lateral e da fonte de calor do forno de secagem (receptor de luz).
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Figura 3. Experimento de secagem de bagaço de cana -de -açúcar utilizando concentrador solar de 1 m2. (a) Massa inicial igual a 200 g de bagaço, começando às 14:49 de 16 de setembro de 2020. (b) Massa inicial igual a 100 g de bagaço, começando às 10:58 de 17 de setembro de 2020. Os gráficos mostram a irradiação solar, a temperatura na lateral do forno, a temperatura no receptor e massa da amostra.
A irradiação solar permaneceu acima de 1000 W/m2 durante os experimentos,
entretanto, quedas bruscas de irradiação são observadas devido à presença de nuvens. A temperatura da lateral do forno varia com a irradiação solar, diminuindo nos momentos nublados. A temperatura do receptor sobe rapidamente quando exposto ao sol, chegando a 200 °C em alguns momentos.
Maior taxa de perda de massa ocorre no início do experimento. O experimento com 200 g de bagaço resulta em 70% da massa inicial após 70 minutos de exposição. O experimento com 100 g de bagaço resulta em 65% da massa inicial após 45 minutos de exposição.
Maior perda de umidade foi obtida utilizando pequenas quantidades de bagaço de cana -de -açúcar. Utilizando 100 g de bagaço foi possível obter 65 gramas de material após 45 minutos de exposição ao sol. Considerando que essa perda de massa ocorre pela evaporação da água, fomos removidos 82% da umidade do material, visto que a amostra inicial possui 42,72% de água. Com quantidades maiores de bagaço, a secagem ocorre de forma heterogênea, sendo que a região mais próxima à fonte de calor seca primeiro.
Conclusão
O concentrador solar apresenta eficiência máxima de 19% para transformar irradiação solar em calor.
Foi possível remover 82 % da umidade de 100 g de bagaço de cana após 45 minutos de exposição ao sol, com fluxo de ar comprimido de 100 L/min em concentrador solar de 1 m2. Estes resultados demonstram que é possível remover umidade do bagaço de
cana -de -açúcar utilizando concentrador solar, gerando um combustível sólido de maior densidade energética.
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Pr ofissionais Pr ofissionaisAgradecimentos
Os autores agradecem a Juarez Silva pela montagem do concentrador solar.
Esta pesquisa foi financiada pela Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAP -DF), Processo 0193.001631/2017 – TOA 1628/2017.
O bagaço de cana -de -açúcar utilizado neste trabalho foi gentilmente cedido pela Empresa AlBioma.
Referências
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BEN. Balanço Energético Nacional 2018, Disponível em: <https://ben.epe.gov.br/> Acesso em agosto de 2020. KECK, T.; BALZ, M.; BLUMENTHAL, Y. Large is Beautiful – Progress of HelioFocus 500 m2 Dish. Energy Procedia, v. 69, p. 1597 -1602, 2015.
LOBO, C. S. A importância da cogeração utilizando bagaço de cana -de -açúcar como forma de diversificação da matriz elétrica. 2013. 113 f. Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. Orientadora: Carmen Lucia Tancredo Borges. (Mudar essa ref.)
MÜLLER, F.; POZOVIL, P.; EYK, P. J.; VILLARRAZO, A.; HAUETER, P.; WIECKERT, C.; NATHAN, G. J.; STEINFELD. A pressurized high -flux solar reactor for the efficient thermochemical gasification of carbonaceous feedstock. Fuel, v. 193, p. 432 -443, 2017.
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